一種WIFI無(wú)線(xiàn)甲醛監測器的設計

摘要：設計了一款WIFI無(wú)線(xiàn)甲醛監測器，它的傳感器器件采用八個(gè)金屬氧化物半導體材料組成的陣列。它既有熱激發(fā)也有光激發(fā)的功能。本系統通過(guò)單片機實(shí)現信號獲取、光熱控制、存儲等功能。它還可以通過(guò)WIFI與PC或智能手機實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊。本系統以TiO2作為氣敏材料，通過(guò)紫外光激發(fā)，溫度控制在75℃左右對甲醛氣體進(jìn)行測試。結果表明100ppm甲醛的響應靈敏度達1802.03。通過(guò)實(shí)驗證明了該甲醛檢測器的設計是可行的。

0 引言

甲醛是一種有毒氣體，它廣泛存在于家居裝飾材料中，危害著(zhù)人們的身體健康，因此對于甲醛的監測顯得尤為重要。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，甲醛的監測主要朝著(zhù)實(shí)時(shí)響應、操作簡(jiǎn)化、低功耗、低成本方向發(fā)展。目前，國內也有一些人做了關(guān)于甲醛監測的儀器，他們都采用國外電化學(xué)傳感器，但成本較高。本文開(kāi)發(fā)了一款八陣列金屬氧化物半導體材料點(diǎn)作為傳感器件，基于WIFI通訊的低成本、低功耗甲醛監測器。

1 硬件設計

1.1 傳感器器件設計

傳感器器件是甲醛監測器的核心，它直接決定甲醛監測器的性能。本系統采用金屬氧化物半導體作為傳感器件的材料。金屬氧化物半導體傳感器具有對有機氣體靈敏度高、響應時(shí)間快(≤10s)、易大批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。我們的傳感器件設計成八陣列的形式，它具有八個(gè)材料點(diǎn)，每個(gè)材料點(diǎn)可以獲取一種氣體信息，八個(gè)材料點(diǎn)就可以獲取八種信號，八種信號再構成一個(gè)特征圖譜，把這個(gè)特征圖譜與數據庫中的圖譜對比就能對未知氣體進(jìn)行識別。

如圖1所示，該器件以0.38mm厚的氧化鋁陶瓷片為載體材料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)在上面印有信號電極和加熱材料，信號電極采用鉑為原料做成插齒電極，金屬氧化物半導體材料則印在插齒電極上形成八個(gè)材料點(diǎn)，加熱采用鉑絲加熱，并且在每個(gè)器件上都集成有測溫鉑絲，用于器件溫度的實(shí)時(shí)監控。因為器件需要加熱，我們將陶瓷片通過(guò)不銹鋼支撐架固定在轉接電路板上。最后將信號電極與轉接電路板的電極通過(guò)金絲球焊連接起來(lái)。為了保護材料芯片，器件需加一個(gè)外殼，它由不銹鋼薄片通過(guò)沖壓成型工藝制成。在外殼的上方開(kāi)有6mm×5mm的孔，它用作光激發(fā)。

1.2 模組設計

模組主要由傳感器信號采集、溫度信號采集、光熱控制、通訊模塊等構成，如圖2所示。模組以STC12C5A60S2單片機作為核心器件，它內部集成有8路A/D(10位)可用作信號采集、電源電量采集等等，2路PWM可作為D/A(8位)用作加熱控制，36個(gè)I/O可用作數字開(kāi)關(guān)，對芯片進(jìn)行控制，它內部還集成了2K的EEPROM可用作數據的存儲。

1.2.1 信號采集

信號采集主要是采集金屬氧化物半導體材料的電阻信號。其原理如圖3所示，由5V電壓供電，金屬氧化物半導體材料與匹配電阻串聯(lián)，單片機通過(guò)1路A/D采集匹配電阻與材料之間的電壓，又因為匹配電阻的阻值是己知的，因此可以很容易地求出材料的電阻值。匹配電阻由八個(gè)標準電阻組成，它們連接在一個(gè)八路開(kāi)關(guān)上由單片機的3個(gè)I/O控制通斷來(lái)自動(dòng)實(shí)現匹配電阻與材料的最佳匹配。傳感器器件的八個(gè)材料點(diǎn)也與一個(gè)八路開(kāi)關(guān)連接，并由3個(gè)I/O控制通斷順序，這樣就可以分別測出八個(gè)材料點(diǎn)的電阻值。該傳感器電阻測量范圍是100Ω～100MΩ。

1.2.2 溫度采集

溫度測量的原理如圖4所示。因為鉑的電阻與溫度有良好的線(xiàn)性關(guān)系，所以測溫電阻為鉑電阻絲。通過(guò)測量電阻絲的電阻，再進(jìn)行溫度標定就能建立電阻與溫度的對應關(guān)系，根據標定的溫度電阻關(guān)系就能通過(guò)測量電阻絲的電阻換算得到溫度值。因為我們印的鉑電阻的阻值較小，室溫大概30Ω，所以我們采用恒流源的方式測電阻。恒流源產(chǎn)生一個(gè)恒定的5mA電流經(jīng)過(guò)測溫電阻絲，單片機采集測量測溫電阻絲兩端的電壓通過(guò)簡(jiǎn)單的運算就能求出電阻絲的電阻值。經(jīng)測試，本模塊的測溫精度在±2℃，符合實(shí)驗要求。

1.2.3 光熱控制

因為金屬氧化物半導體材料在光激發(fā)下性能有很大的提高，且工作溫度也大幅降低，所以我們設計了通過(guò)單片機控制LED燈珠光激發(fā)部分，其原理圖如圖5所示。我們采用可調穩壓開(kāi)關(guān)芯片LM2596ADJ作為光激發(fā)控制的核心，根據需求的不同可通過(guò)它的引腳4的兩個(gè)電阻調整輸出電壓值，本實(shí)驗控制在3.6V左右。單片機的一個(gè)I/O與引腳5相連，當引腳5為低電平“0”時(shí)穩壓開(kāi)關(guān)芯片輸出3.6V，燈珠發(fā)光對材料進(jìn)行光激發(fā)，當輸出高電平“1”時(shí)芯片輸出0V，停止光激發(fā)。我們采用紫外燈珠，波長(cháng)在365～370nm，功耗1W。

金屬氧化物半導體材料最佳工作溫度一般較高，所以本模塊需要設計一個(gè)加熱部分，其原理如圖6所示。單片機設置好加熱電壓值，經(jīng)過(guò)D/A將數字信號轉換為模擬信號，再經(jīng)過(guò)一個(gè)運放放大信號，放大后的電壓信號通過(guò)一個(gè)三極管輸出最終的加熱電壓。加熱電壓加載在加熱鉑絲上，隨著(zhù)加熱電壓的變化，加熱功耗也在變化，器件的溫度也隨之變化，通過(guò)溫度采集我們就能獲取當前溫度，再通過(guò)溫度PID控制程序，我們就能將加熱溫度控制在一個(gè)固定的值上。

1.2.4 通訊模塊

本模塊可以實(shí)現傳統的RS232通訊，也可以實(shí)現WIFI無(wú)線(xiàn)通訊。單片機的引腳RXD(P30)、TXD(P31)通過(guò)MAX232芯片將TTL電平轉換為EIA電平，從而實(shí)現單片機與PC機的RS232通訊。WIFI無(wú)線(xiàn)通訊則是通過(guò)WIFI模塊將單片機的數據轉換成WIFI標準的數據類(lèi)型。通過(guò)設置模塊的網(wǎng)絡(luò )名稱(chēng)、密碼、IP、端口號、串口參數等可實(shí)現單片機與PC機或智能手機之間的通訊。

1.3 外殼設計

整體的外殼設計如圖7所示。外殼設計主要是根據模組的尺寸、電源的形式、接口位置、方便拆卸等來(lái)考慮。本款模組的長(cháng)是102mm，寬是40mm，高是30mm。電源既要能用電池供電又要可以通過(guò)外接電源供電。綜上考慮，外殼由3個(gè)部分組成：電路板倉、器件倉、電池倉。電路板通過(guò)6個(gè)通孔固定在外殼上蓋上，同時(shí)電路板會(huì )與外殼形成一個(gè)封閉的倉，即器件倉，在器件倉的上表面再打一些小孔，氣體通過(guò)擴散經(jīng)過(guò)這些小孔與器件發(fā)生反應。電池固定在正面，它通過(guò)兩根線(xiàn)與電路板連接，電源線(xiàn)與電路板是可拔插的，以方便電池的拆卸。外接電源接口、開(kāi)關(guān)、指示燈固定在外殼的尾部。

2 軟件設計

本系統的軟件部分分為兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C部分與客戶(hù)端部分。單片機軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，它包含初始化函數、信號獲取函數、溫度獲取函數、數據處理函數、溫度標定函數、存儲函數等。程序流程圖如圖8所示，單片機首先初始化，然后等待與客戶(hù)端連接，當連接成功后就判斷當前指令是工作模式還是調試模式，調試模式則進(jìn)行溫度標定，標定的結果存儲在單片機的內部存儲當中，如果是工作模式則根據客戶(hù)端的指令做出相應的操作，最后得到的數據經(jīng)過(guò)WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸到客戶(hù)端顯示出來(lái)?？蛻?hù)端如果是PC機則基于LabVIEW編寫(xiě)，它主要實(shí)現WIFI無(wú)線(xiàn)通訊、數據的傳輸、數據的處理與顯示?？蛻?hù)端若是Android智能手機則基于Java開(kāi)發(fā)相應的APP應用程序，該APP主要實(shí)現WIFI無(wú)線(xiàn)通訊、數據的傳輸與顯示。通過(guò)實(shí)驗測試證明，Android智能手機與甲醛監測器通信正常。

3 電子鼻的性能測試

靈敏度是甲醛監測器的重要性能參數之一。我們將TiO2作為氣體敏感材料制作成傳感器器件，并用我們的甲醛監測器將加熱溫度分別控制在25℃、50℃、75℃、100℃、125℃五個(gè)不同的溫度，且在紫外光激發(fā)的條件下對100ppm甲醛進(jìn)行了靈敏度測試，如表1所示。結果發(fā)現，在紫外光激發(fā)的情況下75℃時(shí)我們的甲醛監測器的敏感度最大，達到了1802.03。

在紫外光激發(fā)、加熱溫度75℃的條件下，我們就傳感器對不同濃度的甲醛的靈敏度做了測試，結果顯示在10ppm時(shí)我們的傳感器還具有很高的靈敏度。

通過(guò)上面的實(shí)驗結果說(shuō)明，我們設計的甲醛監測器是可行的。

4 結束語(yǔ)

本甲醛監測器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)既可以進(jìn)行熱激發(fā)又可以進(jìn)行光激發(fā)，相對于傳統熱激發(fā)溫度要200℃以上才能得到較好的材料性能，本系統在光激發(fā)下只需75℃就能達到最好的性能，大大降低了功耗。

(2)本系統尺寸小，便于攜帶。

(3)本系統可以實(shí)現WIFI無(wú)線(xiàn)通訊，這為傳感器聯(lián)網(wǎng)和遠程監控打下了基礎。

(4)本系統成本低且對甲醛的靈敏度好。